Un analogo terrestre, chiamato anche gemello della Terra o pianeta di tipo terrestre, è un esopianeta con condizioni simili a quelle che si trovano sulla Terra. Per essere considerato un analogo terrestre, un corpo planetario deve orbitare attorno alla sua stella nella cosiddetta zona abitabile, possedere una massa ed un raggio simili a quelli della Terra, avere un'adeguata composizione atmosferica, appartenere ad un sistema nel quale la stella madre sia simile al Sole, ed altre caratteristiche basiche del nostro pianeta che permettono, in combinazione con gli altri fattori sopra elencati, la presenza della vita come noi la conosciamo.
Da quando gli astronomi Michel Mayor e Didier Queloz scoprirono nel 1995 51 Pegasi b, il primo pianeta extrasolare che orbita attorno ad una stella simile al Sole, l'obiettivo principale degli esobiologi è stato quello di trovare una seconda Terra, o gemella della Terra. Negli anni successivi e fino al lancio del telescopio spaziale Kepler, a causa delle limitazioni degli strumenti di quel tempo, le scoperte riguardavano per lo più giganti gassosi che orbitano attorno alle loro stelle a breve distanza. Questo tipo di pianeti, chiamati gioviani caldi, influiscono notevolmente sulle loro stelle e transitano di frequente davanti ad esse, facilitando la loro individuazione, e questo pareva indicare una chiara supremazia quantitativa di tali pianeti rispetto agli altri, a causa dell'effetto di selezione. Nel corso del tempo, gli strumenti di ricerca migliorarono, invertendo la tendenza; divenne quindi evidente che la prevalenza di corpi tellurici simili alla Terra era superiore a quella dei pianeti giganti.
Per classificare i pianeti extrasolari in base al loro grado di parentela con la Terra, la NASA e il SETI hanno sviluppato un indicatore, l'indice di similarità terrestre (o ESI, dall'inglese «Earth Similarity Index») con la Terra, che stima la somiglianza con il nostro pianeta in termini di massa, raggio e temperatura. Al 2019, il pianeta con ESI più alto tra gli esopianeti conosciuti, e quindi più simili alla Terra, è Teegarden b (95%).
La possibilità di trovare un analogo terrestre riveste un particolare interesse per l'umanità, poiché si può dedurre che maggiore è la somiglianza tra un esopianeta e la Terra, e maggiore è la probabilità che il pianeta possa ospitare vita extraterrestre e, forse, anche una possibile civiltà aliena. Per questa ragione, il tema è stato spesso discusso in ambito scientifico, cinematografico, letterario e filosofíco. Inoltre, la scoperta e la colonizzazione di tali pianeti garantirebbe la sopravvivenza del genere umano in caso di catastrofi planetarie, come la stessa morte del Sole.
Storia
Tra il 1858 e il 1920, in molti, tra cui alcuni scienziati, pensarono che Marte fosse molto simile alla Terra, solo più arido ma con una spessa atmosfera ed altri aspetti simili, come l'inclinazione assiale, l'orbita e le stagioni, e si pensò che una civiltà marziana avesse costruito grandi canali. Queste teorie furono avanzate da Giovanni Schiaparelli, Percival Lowell ed altri, e per questo motivo Marte fu oggetto di opere di fantascienza, dove veniva spesso citato come il pianeta rosso, simile alla Terra, ma con un paesaggio desertico. Le immagini e i dati provenienti dalle missioni Mariner (1965) e Viking (1975-1980), rivelarono invece come Marte fosse un mondo craterizzato sterile. Con la possibilità che l'acqua esistesse in passato, Marte rimase comunque il pianeta più simile alla Terra nel sistema solare.
Fino agli anni sessanta anche Venere venne creduto essere solo una versione più calda della Terra, con una spessa atmosfera formata da nuvole d'acqua che nascondevano oceani sottostanti e nella letteratura veniva spesso presentato con alcune somiglianze con la Terra e diversi autori speculavano sull'esistenza di una civiltà venusiana. Queste credenze ebbero termine quando le prime sonde spaziali raccolsero dati scientifici accurati, grazie ai quali si scoprì che Venere è un mondo "infernale" con la temperatura superficiale superiore ai 400 °C e un'atmosfera acida 90 volte più densa dell'atmosfera terrestre.
Dal 2004, la sonda Cassini-Huygens rivelò che la luna di Saturno, Titano, era uno dei mondi più simili alla Terra al di fuori della zona abitabile. Pur avendo una composizione chimica estremamente diversa, nel 2007 venne confermata la presenza di laghi, fiumi e processi fluviali di metano avanzati come sulla Terra. Ulteriori osservazioni dei fenomeni meteorologici su Titano aiutarono la comprensione dei processi geologici che possono aver luogo su pianeti simili alla Terra.
Il telescopio spaziale Kepler, a partire dal 2011, iniziò ad osservare i transiti di potenziali pianeti terrestri nella zona abitabile, individuando diversi oggetti con raggio inferiore a , e nel 2015 venne scoperto Kepler-452 b, un pianeta di dimensioni terrestri in orbita ad una stella simile al Sole.
Criteri
La probabilità di trovare un analogo terrestre dipende in gran parte da varie caratteristiche che si prevede siano simili alle caratteristiche della Terra. I criteri principali, che non sono comunque gli unici, sono: dimensioni del pianeta, gravità superficiale, tipo di stella madre, distanza orbitale, stabilità dell'inclinazione assiale e della rotazione, geografia simile, oceani, condizioni atmosferiche e meteorologiche, forte magnetosfera e la presenza di forme di vita complesse come sulla Terra. Se c'è vita complessa, potrebbero esistere alcune foreste che coprono gran parte della Terra, e se ci fosse anche vita intelligente, alcune parti del territorio potrebbero essere coperte da città. Alcuni fattori possono essere improbabili da trovare su un esopianeta, a causa proprio della storia della Terra. Ad esempio l'atmosfera terrestre non è sempre stato ricca di ossigeno, che è un chiaro segnale della comparsa della vita fotosintetica. La formazione, la presenza e l'influenza della Luna (come ad esempio le forze di marea) possono costituire un problema a trovare un analogo terrestre.
Dimensioni La gravità di un pianeta è direttamente proporzionale alla sua massa, di conseguenza un pianeta poco massiccio perderà velocemente la sua atmosfera primordiale, divenendo un pianeta deserto come Marte. Al contrario, un pianeta troppo massiccio potrebbe trattenere un'atmosfera troppo densa, che non lascia passare la luce della stella e dar luogo ad un effetto serra incontrollato, come nel caso di Venere. Per questa ragione, gli esperti pensano che un analogo terrestre debba avere una massa compresa tra 0,8 e 1,9 M⊕ e un raggio tra 0,5 e 2,0 R⊕, anche se studi dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics restringono il limite in 1,6 raggi terrestri, al di sotto del quale quasi certamente un pianeta avrebbe una composizione di roccia-ferro simile a quella della Terra e di Venere. Lo stesso studio afferma che un pianeta con massa inferiore a 6 masse terrestri ha grossa probabilità di avere una composizione simile a quella terrestre.
Quando vennero scoperti Kepler-62 e e Kepler-62 f, venne avanzata l'ipotesi che questi esopianeti fossero pianeti oceanici, che rappresenterebbero una via intermedia tra i pianeti tellurici come la Terra e i mininettuno. Questi casi potrebbero essere frequenti attorno alle nane rosse, poiché con orbite più piccole è più probabile che i corpi planetari in formazione abbiano catturato elementi pesanti presenti all'interno del disco protoplanetario. Non ci sono comunque ragioni che compromettano il formarsi della vita su questo tipo di pianeti.
Le dimensioni di un pianeta influiscono anche sul suo campo magnetico e sulla tettonica delle placche. Le super Terre potrebbero avere condizioni interne ben diverse dalla Terra, e mentre alcuni modelli indicano che la tettonica delle placche sia poco frequente nelle super Terre, altri suggeriscono che sarebbe un fenomeno comune, anche in caso di carenza d'acqua.
Uno studio statistico pubblicato ad ottobre 2018 da un gruppo di ricerca dell'università di Zurigo, basato sui dati disponibili di 83 esopianeti con massa e dimensioni note, ha concluso che un pianeta con caratteristiche simili alla terra non dovrebbe avere un raggio superiore a tre volte quello terrestre, calcolando ad 1,4 il raggio limite entro il quale si potrebbe avere una composizione simile e a 4 volte oltre il quale un pianeta sarebbe molto gassoso
Temperatura
Esistono diversi fattori che possono determinare la temperatura superficiale di un pianeta, come la distanza dalla sua stella e la luminosità di quest'ultima, l'albedo, la densità e composizione dell'atmosfera, in particolare la percentuale dei gas serra, e i blocchi mareali.
Come probabilmente accadde alla Terra nel cryogeniano, una temperatura media leggermente inferiore può portare all'aumento delle calotte polari, e di conseguenza aumentare l'albedo del pianeta, che riflettendo nello spazio gran parte dei raggi della stella causerà una diminuzione di temperatura, con conseguente aumento dell'estensione dei ghiacci, iniziando un processo che porterà ad una glaciazione globale.
Allo stesso modo, un'atmosfera con quantità maggiori di gas serra rispetto a quella terrestre potrebbe innescare un effetto serra galoppante, simile a Venere. A differenza di un ciclo di glaciazione globale, che un'attività vulcanica del pianeta potrebbe concludere, è difficile che i cambiamenti su un pianeta lo possano modificare abbastanza per sfuggire ad un effetto serra incontrollato. Molti dei pianeti più massicci della Terra in orbita vicino al bordo interno della zona abitabile della stella, sono probabilmente dei super Venere, piuttosto che delle super Terre.
Il blocco mareale è un altro fattore che può influenzare notevolmente la temperatura di un pianeta. Si verifica in genere nelle stelle di tipo M e di tardo tipo K, dove la zona abitabile non oltrepassa il limite entro il quale la forza gravitazionale della stella costringe il pianeta ad una rotazione sincrona, e di conseguenza qualsiasi esopianeta orbitante una stella di questo tipo nella sua zona abitabile avrà un emisfero costantemente esposto alla luce e l'altro nell'oscurità perpetua.
Oltre ad una maggior esposizione all'attività stellare a causa della vicinanza, il blocco mareale può influenzare le dinamiche interne del pianeta e distruggere la sua magnetosfera, esponendolo ai venti stellari. Si pensa che questi corpi registrino grandi differenze di temperatura tra l'emisfero diurno e quello notturno, dove l'acqua potrebbe congelarsi in assenza di una densa atmosfera che possa distribuire efficacemente il calore dall'emisfero illuminato a quello oscuro. Tuttavia, potrebbero esserci temperature moderate nella zona del terminatore del pianeta che potrebbero permettere l'abitabilità.
È probabile che le temperature più stabili si abbiano su pianeti orbitanti analoghe solari nella zona abitabile, dal momento che essi sono abbastanza lontani dalla loro stella da non essere in rotazione sincrona. La dimensione della zona abitabile è direttamente proporzionale alla luminosità della stella, essendo più ampia quanto più luminosa sia la stella stessa. Nel novembre 2013, in base ai dati della missione Kepler, gli astronomi hanno stimato in 11 miliardi il numero di esopianeti di tipo terrestre nella zona abitabile di stelle simili al Sole, solo nella nostra galassia.
La vita stessa è di per sé un fattore di abitabilità, moderando e stabilizzando la temperatura del pianeta attraverso meccanismi quali l'attività fotosintetica, che ha permesso la nascita di organismi aerobici sulla Terra. Esiste un ampio consenso tra la comunità scientifica circa l'evoluzione delle specie come una legge universale, quindi bisogna aspettarsi che, come è avvenuto sulla Terra, gli organismi semplici possono modificare le condizioni di abitabilità planetaria, in particolare la temperatura e la composizione atmosferica, permettendo lo sviluppo di altre forme di vita.